Палеогенетика: история, задачи и трудности области

История изучения древней ДНК

Начало изучения древней ДНК относят к 1984 году. Тогда впервые были выделены и секвенированы фрагменты генетического кода из высушенной мышцы музейного экземпляра квагги, вымершего еще в XIX веке. Образец возрастом около 140 лет хранился в соли. Ученым удалось секвенировать множество небольших фрагментов менее 500 пар нуклеотидов, в том числе митохондриальную ДНК [1].

В 1988 году Сванте Паабо опубликовал статью, в которой сравнивал преимущества молекулярного клонирования с проведением ПЦР для палеогенетики. Он показал, что ПЦР помогла получить более качественные данные [2]. Внедрение ПЦР в палеогенетику привело к быстрому росту области. Произошел всплеск публикационной активности, стали появляться новые подходы к работе с древней ДНК. Появился шанс изучить образцы которым тысячи и даже миллионы лет.

Следующий этап развития области стал возможен благодаря внедрению методов секвенирования следующего поколения (NGS). К сожалению, короткие фрагменты кода предоставляли не так много информации. Возможность секвенировать и собрать геномы древних организмов при помощи биоинформатических инструментов, а также внедрение практики выгрузки данных в свободный доступ привело к росту числа информации в области палеогенетики [3].

Первыми использовали NGS в исследовании древней ДНК ученые из Santa Cruz Genomics Institute в 2006 году [4]. Им удалось секвенировать 13 миллионов пар оснований ДНК шерстистого мамонта. Средняя длина одного рида составила 95 п.н.. В 2010 году друга команда ученых из Copenhagen university секвенировала первый геном древнего человека из волос, возраст которых датирован примерно 2000 лет до н.э. [5]. Восемьдесят процентов восстановленной ДНК имели человеческое происхождение, при этом не было обнаружено никаких примесей современной человеческой ДНК. Вслед за этим открытием последовал ряд других. Так, в 2022 году были восстановлены геномные данные из отложений Гренландии возрастом два миллиона лет, что стало новым рекордом [6].

Трудности и задачи работы с древней ДНК

Извлеченная из древних образцов ДНК представлена ультракороткими фрагментами. Крайне редко можно извлечь ДНК длинной более 200 пар нуклеотидов [7]. Сильная фрагментация и небольшое количество сохранившейся ДНК — основные факторы, затрудняющие анализ. Модификации старых и появление новых методов экстракции повышают качество получаемых после извлечения данных.

В научном сообществе нет единого мнения, когда следует обозначать ДНК, как древнюю. Возраст первого обнаруженного фрагмента древней ДНК составил 140 лет, другие источники предлагают называть древней ДНК, чей возраст более 100 лет с момента гибели организма [1].

Исследование древней ДНК позволяет сравнивать геномы разных периодов, в том числе и вымерших видов, анализировать их генетическое родство с современными сородичами [8]. Филогенетический анализ позволяет изучать эволюционные процессы и то, как они связаны с изменением условий окружающей среды. Так, ученые уже изучали процесс отбора в древних популяциях людей для определения эволюционно выгодных характеристик в истории человечества [9].

Изучение древних геномов также проливает свет на болезни цивилизаций – эпидемии и пандемии и то, как они влияли на историю человечества. Изучение подобных процессов проливает свет и на влияние отдельных вариантов генов (SNP) и более сложных изменений в геноме на здоровье человека и его восприимчивость к определенным заболеваниям [10]. Помимо этого, возможно отслеживание демографических и культурных изменений в человеческих популяциях в прошлом и определение направления миграций [11]. Еще одним значимым применением данных о древней ДНК стало изучение процесса одомашнивания.

Анализ древней ДНК имеет некоторое сходство с судебной генетикой, в последнем случае возраст образцов значительно меньше, но факторы окружающей среды могут приводить к схожему уровню повреждения ДНК. Следовательно, методологии, применяемые в одной сфере могут пригодиться для применения в другой [12].

Источники

1. 1. Higuchi R. et al. DNA sequences from the quagga, an extinct member of the horse family //Nature. – 1984. – Т. 312. – №. 5991. – С. 282-284.
      
   2. Pääbo S., Wilson A. C. Polymerase chain reaction reveals cloning artefacts //Nature. – 1988. – Т. 334. – №. 6181. – С. 387-388.
      
   3. Jones E. D., Bösl E. Ancient human DNA: A history of hype (then and now) //Journal of Social Archaeology. – 2021. – Т. 21. – №. 2. – С. 236-255.
      
   4. Poinar H. N. et al. Metagenomics to paleogenomics: large-scale sequencing of mammoth DNA //science. – 2006. – Т. 311. – №. 5759. – С. 392-394.
      
   5. Rasmussen M. et al. Ancient human genome sequence of an extinct Palaeo-Eskimo //Nature. – 2010. – Т. 463. – №. 7282. – С. 757-762.
      
   6. Kjær K. H. et al. A 2-million-year-old ecosystem in Greenland uncovered by environmental DNA //Nature. – 2022. – Т. 612. – №. 7939. – С. 283-291.
      
   7. Pääbo S. Ancient DNA: extraction, characterization, molecular cloning, and enzymatic amplification //Proceedings of the National Academy of Sciences. – 1989. – Т. 86. – №. 6. – С. 1939-1943.
      
   8. Barlow A. et al. Partial genomic survival of cave bears in living brown bears //Nature ecology & evolution. – 2018. – Т. 2. – №. 10. – С. 1563-1570.
      
   9. Mathieson I. et al. Genome-wide patterns of selection in 230 ancient Eurasians //Nature. – 2015. – Т. 528. – №. 7583. – С. 499-503.
      
   10. Klunk J. et al. Evolution of immune genes is associated with the Black Death //Nature. – 2022. – Т. 611. – №. 7935. – С. 312-319.
       
   11. Harney É. et al. Ancient DNA from Chalcolithic Israel reveals the role of population mixture in cultural transformation //Nature communications. – 2018. – Т. 9. – №. 1. – С. 3336.
       
   12. Ottoni C., Bekaert B., Decorte R. DNA degradation: current knowledge and progress in DNA analysis //Taphonomy of Human Remains: Forensic Analysis of the Dead and the Depositional Environment: Forensic Analysis of the Dead and the Depositional Environment. – 2017. – С. 65-80.